密間隔電位的埋地管道防腐層破損檢測方法

劉博聞，楊理踐

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870)

密間隔電位的埋地管道防腐層破損檢測方法

劉博聞，楊理踐*

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870)

密間隔電位檢測技術(shù)CIPS(Close-Interval Potential Survey)是一種通過采集管道通斷電位來判斷埋地管道防腐層破損的檢測方法，針對CIPS中電位采集的問題，提出了一種利用瞬時斷電、延后采集、衛(wèi)星同步法采集電位的CIPS技術(shù)。研究了密間隔電位檢測中消除土壤上產(chǎn)生的電壓(IR)的方法和通斷電位采集時間點(diǎn)的選擇問題，設(shè)計了以單片機(jī)為控制芯片的密間隔電位檢測系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以正確地檢測出埋地管道防腐層的破損，破損點(diǎn)定位精度為0.1 m，可分辨的最小缺陷半徑為1.4 cm。

埋地管道防腐層破損;電位采集;密間隔電位檢測;電壓降;時間同步

密間隔電位檢測技術(shù)(CIPS)屬于管道外檢測技術(shù)，由于不需要挖開覆蓋在管道上方的土壤即可檢測防腐層破損情況，因此極大地節(jié)約了人力物力，它通過在地表以較小的間隔連續(xù)采集管道通/斷電位來判斷整個管線防腐層破損情況［1］。

薛致遠(yuǎn)、徐承偉等［2-3］人將GPS衛(wèi)星作為CIPS法中時間同步的基準(zhǔn)并通過研究CIPS法的通斷周期得出日常測量中斷電電位測量點(diǎn)選擇在斷電后

0.05 s且通斷周期為1 s時，最能反映真實的管地電位，從而可以準(zhǔn)確地判斷埋地管道防腐層的缺陷。Adnan S F［4］等人通過研究影響陰保檢測系統(tǒng)幾個重要參數(shù)得出環(huán)境中電阻率的下降而增大;防腐層完好處管道上的陰保電流密度要遠(yuǎn)大于防腐層破損處管道陰保電流密度，理論地證明了CIPS的正確性。

針對密間隔電位檢測法中的土壤上電壓降的消除方法和管道電位信號采集的時間起點(diǎn)進(jìn)行了分析，設(shè)計了一套密間隔電位檢測系統(tǒng)。最后通過搭建模擬實驗平臺，實驗驗證了該系統(tǒng)可以正確地檢測埋地管道防腐層的破損。

1 密間隔電位檢測技術(shù)

CIPS檢測技術(shù)是以規(guī)則的、足夠小的檢測間隔在埋地金屬管道沿線進(jìn)行一系列的通電/斷電電位測量，對管道防腐層整體狀況進(jìn)行判斷。系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 CIPS檢測系統(tǒng)示意圖

中斷器以衛(wèi)星同步脈沖為基準(zhǔn)周期性地通斷陰保電源提供可供采集的通斷電位，采集器在中斷器通斷時間點(diǎn)幾十毫秒后開始采集電位，參比電極沿著管線以較小的間隔移動，最后得到整個管道的通斷電位，根據(jù)采集到電位的變化情況判斷埋地管道防腐層的破損情況。

1.1 管地電位分布規(guī)律

為了通過管道電位判斷防腐層的破損情況，有必要了解管道沿線電位分布規(guī)律。為了便于推導(dǎo)在管道沿線電位分布公式，忽略了土壤電阻，并認(rèn)為埋地管道的防腐層過渡電阻一致且管道與土壤接觸處土質(zhì)都是均勻的。

如在離匯流點(diǎn)x處取一管道微元段d x，在d x段電壓為E。單位長度的金屬管道的電阻為rT，單位長度上電流從土壤流入金屬管道的過渡電阻為RT。則根據(jù)歐姆定律得出:

式中，負(fù)號表示電流的流動方向與x的增量方向相反。

當(dāng)電流I沿著軸向流過管道時，由于金屬管道本身的電阻所產(chǎn)生的電壓為:

對上式連續(xù)求導(dǎo)兩次，并令:

可得:

解此方程，設(shè)E0為匯流點(diǎn)的電位，可得到無限長管道電位分布公式:

當(dāng)管道為有限長時，設(shè)管道長為L，假設(shè)匯流點(diǎn)的電位為EL，解方程得到:

上式是忽略了土壤IRt降的影響，并認(rèn)為管道沿線防腐層過渡電阻均勻一致的條件下管道沿線電位遵循的規(guī)律。實際上長距離的管線不僅土壤電阻率大，防腐層質(zhì)量狀況也很不一致，這些因素反映在a中。單位長度金屬管道的電阻的rT可以認(rèn)為是定值，而RT=R涂層+R土壤。R涂層遠(yuǎn)大于rT，因此，R涂層的變化會極大地影響管道電位。當(dāng)沒有缺陷時，由于rT和RT基本不變，故a不變，因此管地電位也基本不變。而破損處，R涂層急劇下降，導(dǎo)致了a急劇上升，管地電位就會發(fā)生突變，缺陷越嚴(yán)重，突變程度也就越大［5］。

1.2 土壤電壓(IR)降的含義及消除方法

由于密間隔電位檢測法是通過管地電位來判斷埋地管道防腐層是否存在破損，所以采集到真實的管地電位是該方法準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。IR降是在參比電極與管道之間的電解質(zhì)上產(chǎn)生的電壓［6］。

Vm為實際測得的電位，VIR是IR降，Vp為管道真實電位。Vm=VIR+Vp，所以要得到準(zhǔn)確的管道極化電位就必須消除IR降。由于I→0時，IR→0，所以采取使瞬間斷電法來消除IR降，也就是將陰保電源瞬間斷開，在較短的時間內(nèi)測得的電位是不含IR降的管道真實電位。

1.3 信號的采集

要想得到真實的管道電位，還應(yīng)該正確地選擇電位信號采集的時間點(diǎn)。由于陰保電流通/斷電瞬間會產(chǎn)生通/斷電尖峰，稱為陽極尖峰和陰極尖峰。在某些情況下，尖峰可達(dá)近200 mV［7-8］。若直接在電流接通或斷開時刻測量電位，不能得到真實的管道電位。而在一段時間之后會出現(xiàn)去極化現(xiàn)象，所以采集電位的時間既要避開陽極和陰極尖峰又不受去極化影響。因此，采用一種延后采集的方法，即在電流接通和斷開后50 ms較小的間隔測量一系列的電位，采集結(jié)束后將這些電位求平均值，可得到相對準(zhǔn)確的電位值。

2 密間隔電位檢測系統(tǒng)

基于上述原理，設(shè)計了由中斷器、采集器、衛(wèi)星同步模塊三部分組成的密間隔電位檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

中斷器的作用是以固定周期通斷陰保電源形成通/斷電位。由于需要頻繁的通斷且需要的通斷轉(zhuǎn)換精度較高，故選擇直流固態(tài)繼電器SDI1103D。另外由于在不進(jìn)行檢測的時候陰保電源總是有效的，所以通過三極管將常開式固態(tài)繼電器變成常閉式。中斷器電路圖如圖3所示。3、4腳是控制端，4腳接單片機(jī)IO口，IO口輸出高電平時，固態(tài)繼電器閉合，輸出低電平時，固態(tài)繼電器斷開。1、2腳是負(fù)載端，接陰保電源。單片機(jī)檢測到衛(wèi)星芯片發(fā)出到其INT0口的同步秒脈沖后啟動定時器1，定時器1定為0.2 s，輸出低電平直到定時器1溢出，然后啟動定時器2，定時器2定為0.8 s并輸出高電平直到定時器2溢出，若非人為的結(jié)束檢測過程，則通斷過程一直執(zhí)行。

圖3 中斷器電路圖

衛(wèi)星同步模塊選擇了北斗/GPS雙模的同步模塊。衛(wèi)星同步技術(shù)相對于本地晶振同步具有精度高、受干擾小、沒有累計誤差等優(yōu)點(diǎn)［9］，而北斗衛(wèi)星作為我國自主研制的衛(wèi)星具有其他衛(wèi)星系統(tǒng)所不具備的可靠性，同步芯片選擇UM220-ⅢN芯片，該芯片會每秒發(fā)送一個幅值為3.3 V，占空比為50%的同步秒脈沖(PPS)作為中斷器和采集器的時間起點(diǎn)。衛(wèi)星芯片接口電路如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星芯片接口電路圖

芯片11腳接外接天線A，3腳接單片機(jī)INT0口，單片機(jī)以此作為中斷，控制固態(tài)繼電器的通斷并以此作為采集器延后采集的時間起點(diǎn)。

采集器是一個具有延遲采集電位功能的電壓表，由STC89C52RC單片機(jī)控制，AD0809作為AD芯片。定時器1和定時器2分別定為50 ms和200 ms，單片機(jī)接收到衛(wèi)星同步脈沖后，啟動定時器1，定時器1溢出后開啟AD轉(zhuǎn)換并開始采集斷電電位，之后開啟定時器2，定時器2溢出后開始采集通電電位。電位的采集過程為:以5μs的間隔連續(xù)采集5組電位信息，用冒泡法舍去最大和最小值，取中間3個值做平均后顯示，這樣做可以有效地避免誤差，使采集到的電位信息更加準(zhǔn)確。電位采集器最小分辨電壓為0.007 8 V。

3 實驗與結(jié)果分析

取長距離管道中一段0.5 m長的管道單元段，測量間隔為0.1 m，其中防腐層為3PE涂層，其面電阻為104Ω/m2，防腐層厚度3 mm，管道電阻率為

5.6 ×10-2Ω/m，管道半徑為0.3 m，管壁厚為10 mm，在管道0.1 m與0.2 m之間存在半徑為1.4 cm的防腐層破損，0.3m與0.4m之間存在2.7 cm的防腐層破損，電其余3處防腐層完好。使管道電位達(dá)到保護(hù)電位，陰保電源為5 V。測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中通斷電位之差是土壤上的IR降，斷電電位是消除了IR降的管道真實電位，將其繪制成管道電位-距離圖，如圖5所示。

表1 通斷電位數(shù)據(jù)單位:V

圖5 管道電位－距離圖

由圖5可知在0.1 m～0.2 m和0.3 m～0.4 m的管道單元段上的電位相對于其他三段段有明顯地衰減且0.3 m～0.4 m段電位衰減比0.1 m～0.2 m段明顯，由此可以判斷出0.1 m～0.2 m和0.3 m～0.4 m管道段防腐層存在破損且0.3 m～0.4 m段破損程度比0.1 m～0.2 m嚴(yán)重，符合預(yù)期設(shè)想。

4 結(jié)論

實驗分析得出結(jié)論:

(1)該系統(tǒng)可以正確地檢測出埋地管道防腐層的破損，破損點(diǎn)定位精度為0.1 m，可分辨的缺陷半徑為1.4 cm。

(2)通斷電位之差是土壤上的IR降，防腐層破損處的電位相比于完好處有明顯地衰減，且破損越嚴(yán)重的地方電位衰減越明顯。

［1］陳敬和.管道外腐蝕直接評價技術(shù)［J］.油氣儲運(yùn)，2011，30(7): 523-527.

［2］徐承偉，薛致遠(yuǎn)，滕延平.GPS同步中斷法在陰極保護(hù)有效性評價中的應(yīng)用［J］.管道設(shè)備與技術(shù)，2012(1):50-52.

［3］薛致遠(yuǎn)，徐承偉，羅鵬，等.密間隔電位測量(CIPS)中通斷周期對理地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，33(2):171-172.

［4］Adnan SJ.Investigation of Some Parameters Affecting the Cathodic Protection of Steel Pipelines［J］.Anti-Corrosion Methods and Materials，2014，61(4):17-19.

［5］Rob P，Greet L，Dany W.Service Life and Life Cycle Cost Modelling of Cathode Protection Systems for Concrete Structures［J］.Cement and Concrete Composites，2014(47):69-74.

［6］Pawson R，Cybex C.Potential Errors in Close Interval Surveys at Pipeline［J］.Corrision and Protection，2009，32(18):156-159.

［7］張居生，杜月俠，蘭云峰，等.腐蝕監(jiān)測技術(shù)及其適用性選擇［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，33(1):75-78.

［8］SantosW J，Santiago JA F，Telles JC F.Optimal Positioning of Anodes and Virtual Sources in the Design of Cathodic Protection Systems Using Method of Fundamental Solution［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，2014，46:67-74.

［9］于佳亮，程華，于天澤，等.基于北斗衛(wèi)星同步授時的應(yīng)用研究與試驗［J］.中國鐵路，2013，4:21.

楊理踐(1957-)，男，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為長輸油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)及相關(guān)理論、漏磁檢測技術(shù)等無損檢測技術(shù)，yanglijian888@ 163.com;

劉博聞(1957-)，男，沈陽工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為長距離埋地管道缺陷的檢測等無損檢測技術(shù)，342488415@qq.com。

Detection of Damaged Layer of Buried Pipeline by Close Interval Potential Realization M ethod

LIU Bowen，YANG Lijian*

(Institute of Information Science and Engineering，Shenyang University of technology，Shenyang 110870，China)

CIPS(Close-Interval Potential Survey)is a through the acquisition pipeline on-off potential to determine the buried pipeline anticorrosion layer damage detection method，aiming at the problems in CIPS potential acquisition proposed a using instantaneous power failure，delayed acquisition，satellite synchronousmethod to collect the potential of CIPS technology.Themethod of eliminating the voltage(IR)generated in the soil and the selection of the time point of the break potential acquisition is studied in the detection of close interval potential.The results show that the system can correctly detect the damage of buried pipeline corrosion protection layer，the location accuracy of the damaged point is 0.1 m，and the resolution of theminimum defect radius is 1.4 cm.

buried pipeline corrosion protection;potential acquisition;close interval potential detection;IR drop; time synchronization

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.034

TB552

:A

:1005－9490(2017)01－0179－04

2016-02-04修改日期:2016-03-12